マイクロナノ3Dプリントは1,300億ドルの眼鏡市場をターゲットに、深センMMFはレンズ製造に影響を与える

世界保健機関の最新の研究報告によると、現在、中国には6億人の近視患者がいる。高校生と大学生の近視率は70％を超え、小学生の近視率は40％近くに達する。中国の10代の若者の近視率は世界一で、この数字は年々上昇し続けている。しかし、もっと深刻なのは、大量生産されたレンズはすべて標準的な度数であるため、近視の人のほとんどが自分に完全に適した度数の眼鏡をかけておらず、眼鏡の品質が損なわれるだけだということです。しかし、マイクロナノ3Dプリンティング技術はこの状況を完全に変えるでしょう。

2018 年 1 月 11 日、MIT Technology Review Insights は、高精度マイクロナノ 3D プリントが精密デバイス製造のニーズをどのように満たすことができるかを詳しく説明した記事を公開しました。この技術を所有しているのは、中国深圳の BMF Materials 社です。

従来の製造プロセスでは、マイクロコネクタや内視鏡用マイクロレンズなど、非常に複雑で小型かつ精密に構造化された小型デバイスを製造する際に、多くの困難な課題に直面します。これらのデバイスは、正確な表面形状と複雑な内部構造を作成するために高度な精密製造プロセスを必要とし、コストがかかります。現在、高度なマイクロナノ 3D プリント技術によりこれらの障害を克服し、複雑な部品のカスタマイズが容易になり、生産速度が向上します。これは、他の分野における精密製造の需要の高まりにも対応します。

市場調査会社Technavioは、世界の3Dプリントサービス市場は2021年までに年間44%の成長率で成長すると予測している。精密製造の需要拡大により、3D プリントサービスの成長が大きく促進されました。たとえば、Transparency Market Research によると、世界のアイウェア市場は 2018 年に 3.7% の複合年間成長率 (CAGR) で成長し、評価額は 1,300 億米ドルに達すると予想されています。

「この新しく低コストな生産方法により、多くの製造上の問題を解決できるようになり、マイクロナノ3Dプリントデバイスの市場潜在力は明らかです」と、深センBMFマテリアルテクノロジー株式会社の上級科学者兼諮問委員会メンバーであるウィリアム・プラマー博士は述べています。 BMF Materialsは、米国ボストンと中国深センで同時に事業を展開しており、マイクロナノ3Dプリントシステムと材料の製造を専門とする企業であり、自社の設備を使用する企業にカスタマイズされた3Dプリントサービスも提供しています。

Desktop Metal や Carbon などの有名な 3D プリントの新興企業は市場で大きな注目を集めており、これらの企業のほとんどは大型製造に重点を置いています。しかし、3Dプリント技術の急速な発展により、より精密で微細なデバイスを印刷する能力がさらに向上しました。

マイクロナノ 3D プリンティングは複雑で高度なデバイスを製造することができ、これは 3D プリンティング技術の利点を最もよく体現したものであり、精密デバイス製造業界を覆す可能性があります。今日、BMF Materials などの企業は、ミクロン/ナノメートルの精度と大量生産が可能な印刷装置を備え、この技術を新たな高みに引き上げました。プラマー博士は、BFM の利点は、その装置の高精度と、材料およびプロセスの独自の選択にあると述べています。「 BFM の高精度 3D 印刷技術は、マイクロスプリング、特殊な形状の電子コネクタ、さらには心臓血管ステントなどの極めて複雑で要求の厳しい医療機器などの小型機械部品を製造することができます。」

技術原理

3D プリント、特にマイクロナノ 3D プリントのように、人々の無限の想像力を刺激し、エンジニアリングや芸術的創造を刺激できる技術開発はほとんどありません。 3D プリントの最初のステップは、デジタルファイルから物理的な 3 次元モデルを作成することです。これは新しい技術ではありませんが、現在の進歩により、従来の金型や CNC (コンピュータ数値制御) マシンを使用して製造するにはコストがかかりすぎたり困難だったりするプロトタイプ、一品物の部品、アイテムを作成するためのより実用的な方法となっています。

BMF Materials の独自技術は「PμLSE (Projection Micro Litho Stereo Exposure)」と呼ばれ、マイクロビデオ表示デバイスの原理に似ています。一連の画像が小型レンズを通して硬化する感光性樹脂に連続的に投影されます。縮小された画像は感光性樹脂に投影され、紫外線によって樹脂が硬化します。このプロセスは光架橋と呼ばれます。光が当たった部分だけが固まって硬化し、あらかじめ設定された 3D 形状を形成します。投影されたパターンは 3D 画像によって決定され、コンピューターで生成された 3D モデルの断面になります。 Mofang は独自の後処理技術を活用して、セラミックや光学レンズなどさまざまな製品を製造できます。

マイクロナノ 3D プリントと「従来の」3D プリントの主な違いは、マイクロナノ 3D プリントでは「従来の」3D プリントでは実現できない高精度を実現できることです。マイクロナノ 3D プリントの精度は、メソスコピック、ミクロスコピック、ナノスコピック (つまり 10 億分の 1 メートル) のレベルに到達できます。この機能により、マイクロナノスケールの 3D プリントで小さな構造を一括で複製し、真に微細なデバイスを製造し、一般的な 3D プリントでは実現できない詳細と精度を実現できます。

近年、3D プリンティング業界は急速に発展し、現在では消費者は 200 ドルから 500 ドルで 3D プリンターを購入できるようになりました。しかし、こうしたローエンドのプリンターと複雑なマイクロナノ 3D 印刷装置の間には大きな違いがあります。BMF Materials レベルの企業は、マイクロナノスケールの 3D 印刷装置を製造し、使用することで、さまざまな種類の精密デバイスを生産できます。

精密製造

2016年5月、BMFマテリアルズは高精度マイクロナノ3Dプリンティング市場に参入しました。 MFNは、マサチューセッツ工科大学（MIT）のナノオプトエレクトロニクスおよび3Dナノ製造技術研究所から生まれました。同社の技術は、「マイクロ3Dプリンティング」と「ナノアーキテクチャ複合材料」に基づいており、2014年と2015年にMITテクノロジーレビューでトップ10の画期的技術としてリストされました。 (Mofangの創設者兼主任科学者であるFang Xuanlai氏のマイクロナノ3Dプリント技術チームは、2015年にMITテクノロジーレビューによってこの分野で最も最先端のチームの1つとして認められました。)

BMF Materials は、小型精密部品の製造に注力しながら、医療機器などの業界で求められるレベルを超える生産レベルを達成することができます。「モロッコの3Dプリントシステムは、私たちが製造する装置が非常に小さいため、非常に高いスループットを実現できます」と、同社の創設者兼CEOであるHe Xiaoning氏は語った。サイズが小さいため、多数のデバイスを同時に印刷できます。例えば、 BMF の 3D プリント装置は、直径約 1 mm のレンズを 1 時間以内に数百個製造できるため、年間の生産量は数十万個に達し、内視鏡メーカーの数量ニーズを満たすことができます。さらに、製造されたデバイスのバッチ内では、総製造数量に関係なく、各コンポーネントをカスタマイズできます。このような生産能力は、小型の精密機器を必要とする産業顧客の数量需要を満たすことができます。

革新的なテクノロジー

モロッコチームは革新的な技術を駆使し、光学産業をターゲット領域に設定しました。光学眼鏡業界は利益率が高く、中国だけでも年間120億ドルの市場価値がある。しかし、ほとんどの眼鏡着用者は、自分のニーズやパラメータに応じてレンズを完全にカスタマイズすることはなく、眼鏡は通常、標準的な処方箋に基づいてのみ調整されます。「フリーフォームレンズのような複雑なレンズは非常に高価です」と北京同仁病院眼科センターのトランスレーショナル医療部門の副部長であるジェン・イー氏は言う。「例えば、カスタムメイドのフリーフォームレンズ（従来の技術で作られる）は、小売価格が1,300ドルにもなります。」

「人間の目は複雑な器官であり、不完全な光学システムで、目はそれぞれ異なります」とジェン・イー氏は言う。「しかし、従来のレンズは、工場で大量成形された半加工のブランクから作られています。カスタマイズされたフリーフォームレンズは、眼鏡着用者を従来の大量生産眼鏡の光学的な妥協から解放する可能性があります。しかし、従来の方法でフリーフォームレンズをカスタマイズするには高価な機械が必要であり、ほとんどの人には手が出ません。つまり、ほとんどの患者は現在、理想的な視力矯正を受けることができず、視力が悪化しています。」

北京同仁病院は中国最大の眼科病院であり、毎年約100万人の患者を受け入れています。北京同仁病院の眼科医である王寧里教授とそのチームは、BMF Materialsと協力し、各患者の処方箋のニーズを満たす低コストでカスタマイズされたフリーフォームレンズを生産することに合意した。現在、BMF は以下の設計特徴を備えた複雑なカスタマイズレンズの設計と製造に成功しています。

 トーリック面設計により乱視を矯正し、乱視を軽減します。
 非球面設計により近視を矯正し、レンズの縁の厚さを減らします。
 周辺焦点をぼかす設計により、子供の近視の進行を抑制します。

このタイプの自由曲面レンズは従来の技術では製造が難しく、非常に高価ですが、Mofangの技術では製造工程がわずか4時間で完了し、コストは通常のレンズと同程度です。モロッコの上級科学者で諮問委員会メンバーのモ・ジャリー教授は、「 3Dプリントレンズは製造コストが安く、製造も速いため、検眼業界における特殊眼鏡の供給に革命を起こす可能性がある」とコメントした。

BMF の技術は、患者の複雑な異常を矯正するのに役立つカスタマイズされた矯正コンタクトレンズなど、眼科の他の分野にも革命を起こすと期待されています。これらの異常は、通常、角膜移植、円錐角膜（通常は丸い角膜が徐々に円錐状に変形する眼疾患）、または外傷に起因するその他の症状によって引き起こされます。「レンズの3Dプリントは、出版業界における活版印刷と同じ効果を眼鏡業界にもたらします」と王寧麗教授は語った。「この新技術により、より速く、より経済的で、より柔軟で、より正確なレンズ製造が可能になります。」

新しい製造規模

何暁寧氏は、マイクロナノ3Dプリンティングにより、心臓血管用ステント、内視鏡、特殊な電子コネクタなど、無数の精密機器を製造できると述べた。現在、心臓血管ステントの複雑な内部構造は、レーザー精密加工によって完成させる必要があります。 3D プリントにより、必要な構造を簡単に形成できるようになり、より複雑な設計が可能になり、従来の処理方法に比べてコストが大幅に削減されます。

今日、電子コネクタはより小型化され、より複雑になっています。マイクロナノ 3D 印刷技術により、エンジニアはコネクタの高精度で複雑な構造や不規則な形状を設計できます。さらに、何小寧氏は、BFM Materialsは精密セラミックデバイスを含む他の分野でも多くの印刷注文を受けていると述べた。

すべての新興技術と同様に、マイクロナノ 3D プリンティングはより正確で、より強力になり、より安価になっています。同じ精度レベルの従来のプロセスと比較すると、マイクロナノ 3D プリンティングは、精度が向上し、コストが大幅に削減され、生産効率が高くなるだけでなく、製造方法も簡単になります。

「高精度部品に対する世界市場の需要は大きく、利益も相当なものだ。しかし、多くの場合、従来の技術はまったく効果がない」と何暁寧氏は語った。マイクロデバイスの製造における課題について語る際、彼は専門用語を借用した。「追求が極端であればあるほど、課題は大きくなる」。

マイクロナノ3Dプリント技術の詳細については、www.bmftec.cnをご覧ください。

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